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“綠色”清洗技術(shù)——激光應(yīng)用于石材清洗

2011-03-16

人們發(fā)現(xiàn),用激光清洗石材文物表面的污垢有其獨特的優(yōu)勢,它能夠十分清確地控制光束在復(fù)雜的表面上移動,清除污垢而不損傷文物石材。石雕和石刻等年代久遠的高檔石質(zhì)藝術(shù)品,由于其極精細和易損的表面結(jié)構(gòu),成為激光清洗技術(shù)應(yīng)用最早的領(lǐng)域。

 一、激光清洗原理

    激光清洗就其清洗機理而言,可分為兩大類:一類是利用清潔基片(也稱為母體)與表面附著物(污物)對某一波長激光能量,具有差別很大的吸收系數(shù)。輻射到表面的激光能量,大部分被表面附著物所吸收,使之受熱或氣化蒸發(fā)、或瞬間膨脹,并被表面形成的蒸氣流帶動脫離物體表面,達到清洗目的。而基片由于對該波長的激光吸收能量極小,不會被損傷。對此類激光清洗,選擇合適的波長和控制好激光能量,是實現(xiàn)安全高效清洗的關(guān)鍵。另一類是適用于清潔基片與表面附著物的激光能量吸收系數(shù)差別不大,或基片對涂層受熱形成的酸性蒸氣較敏感,或涂層受熱后會產(chǎn)生有毒物質(zhì)等情況的清洗方法。該類方法通常是利用高功率高重復(fù)率的脈沖激光沖擊被清洗的表面,使部分光束轉(zhuǎn)換成聲波。聲波擊中下層硬表面后,近回的部分與激光產(chǎn)生的入射聲波微小爆炸,涂層被粉碎、壓成粉末,再被真空泵清除,而底下的基片不會損傷。

    激光具有高亮度,高方向性、高單色性和高相干性的特點,這是普通光源所無法比擬的。利用激光的高亮度,經(jīng)過透鏡聚焦后,能在焦點附近產(chǎn)生上千萬度甚至上萬度的溫度。激光的高方向性使得激光能有效進行長距離傳輸。激光的單色性極高,波長單一,有利于聚焦和波長選擇。

    激光清洗與機械磨擦清洗、化學腐蝕清洗、液體固體強力沖擊清洗,高頻超聲清洗等傳統(tǒng)清洗方法相比,有明顯的優(yōu)點。它高效、快捷、成本低,對基片產(chǎn)生的熱負荷和機械負荷小,清洗為非損傷;廢物可回收,無環(huán)境污染;安全可靠,不損害操作人員健康;多功能,可以清除各種不同厚度、不同成份的涂層;清潔過程易于實現(xiàn)自動化控制,實現(xiàn)遠距離遙控清洗等。

二、激光清洗的方法

    激光石材清洗方法有4種:1、激光干洗法,即采用脈沖激光直接輻射去污;2、激光+液膜方法,即首先沉積一層液膜于基體表面,然后用激光輻射去污;3、激光+惰性氣體的方法,即在激光輻射的同時,用惰性氣體吹向基體表面,當污物從表面剝離后會立即被氣體吹離表面,以避免表面被再次污染和氧化;4、運用激光使污垢松散后,再用非腐蝕性化學方法清洗。目前,常用的是前3種方法。第4種方法僅見于石質(zhì)文物的清洗中。

三、激光清洗的應(yīng)用

    石雕和石刻等年代久遠的高檔石質(zhì)藝術(shù)品,由于其極精細和易損的表面結(jié)構(gòu),成為激光清洗技術(shù)應(yīng)用最早的領(lǐng)域。1992年9月,聯(lián)合國教材文組織的世界文化遺產(chǎn)保護組織為紀念該組織創(chuàng)建20周年,對十分著名的英國亞眠大教堂進行了維修,亞眠大教堂西側(cè)圣母門十分精美的大理石雕刻是工程的關(guān)鍵。在為期一年的圣母門維修工程中,維修人員借助于激光,用激光光束除去了覆蓋在大理石雕刻花紋上幾毫米厚的黑色垢層,大理石表面原來的色澤體現(xiàn)出來,使精美的雕刻重現(xiàn)光彩。又如,英國最重要的石雕收藏處之一的英斯布倫蒂爾的石雕收藏品經(jīng)激光清洗后,也得到同樣的效果。

    人們用電子顯微鏡觀察激光清洗后的石雕表面,發(fā)現(xiàn)激光清洗后石頭的結(jié)構(gòu)沒有變化,被清洗的表面既光滑又平坦,沒有損傷。這跟用微粒子噴射法(噴砂法)清洗后的表面完全不同。微粒子噴射法清洗后大理石表面結(jié)構(gòu)的損傷是難以避免的,特別是對已有硫酸鹽垢層的大理石表面。電子顯微鏡的觀察還發(fā)現(xiàn),激光照射后,表面下巖石材料的各項性質(zhì)既無退化,也無改變。目前,用激光清洗石灰后,大理石等高檔石質(zhì)材料表面污垢的工作已成為一項新的很有前途的業(yè)務(wù)項目。除了對石質(zhì)材料的清洗外,激光清洗在玻璃、石英、金屬、模具、牙齒、芯片、電極、磁頭、磁盤以及各種微電子產(chǎn)品的清洗中都有很好的效果,已經(jīng)有了一定的應(yīng)用。

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